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Digital Twin的熱度

全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續(xù)在2016和2017年將Digital Twin列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，使得Digital Twin成為了這幾年在IIoT、智能制造大潮中非常流行的詞匯，然而這種景象總讓人們以為它僅僅是一個處于“概念”階段的詞匯。

圖1-Gartner 2017年十大科技趨勢^[1]

什么是Digital Twin？

最早定義“Digital Twin”的是美國密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”，并且他提議將數(shù)字孿生與工程設(shè)計進(jìn)行對比，來更好的理解產(chǎn)品的生產(chǎn)與設(shè)計，在設(shè)計與執(zhí)行之間形成緊密的閉環(huán)^[2]。

圖2-Michael Grieves教授于2003年提出“Digital Twin”概念

知名咨詢公司德勤（Deloitte）也于2017年發(fā)布了“工業(yè)4.0與數(shù)字孿生”中對Digital Twin的架構(gòu)進(jìn)行了清晰的描述，德勤認(rèn)為通過數(shù)字孿生企業(yè)可以實現(xiàn)產(chǎn)品快速面市、改善運營、創(chuàng)新的業(yè)務(wù)模式以及降低生產(chǎn)缺陷，圖3則顯示了其實現(xiàn)架構(gòu)。

圖3-德勤關(guān)于數(shù)字孿生的架構(gòu)

Digital Twin有什么用？

本文不是學(xué)術(shù)論文，我們需要把“Digital Twin”落在實處，簡而言之，Digital Twin可以理解為在虛擬的世界對物理的生產(chǎn)線進(jìn)行建模，并對其進(jìn)行仿真，然后將其“下載”到物理世界，然后可以實時獲取產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計呈現(xiàn)、傳輸至MES/ERP等，并接受來自產(chǎn)線調(diào)整的參數(shù)進(jìn)行工藝換裝。

貝加萊最新的ACOPOStrak的HMI中顯示的虛擬系統(tǒng)與物理的系統(tǒng)是一一對應(yīng)的，仿真系統(tǒng)可以實時讀取控制器中ACOPOStrak當(dāng)前的運行狀態(tài)，并顯示，另外，當(dāng)仿真完成后，下載到控制器也可以直接驅(qū)動系統(tǒng)來執(zhí)行。

Digital Twin有哪些應(yīng)用場景？

通過Digital Twin，設(shè)計人員可以在以下幾個方面下手

1.產(chǎn)線組裝之前的驗證

產(chǎn)線設(shè)計最難的地方在哪里？

做產(chǎn)線設(shè)計的人應(yīng)該最清楚，對于制造而言，其產(chǎn)線設(shè)計最難的也是最耗費時間的是在驗證階段，因為一個產(chǎn)品的生產(chǎn)由多個工序構(gòu)成，在每個工序輸送系統(tǒng)的速度、加速度、間距等參數(shù)必須在負(fù)載下進(jìn)行驗證是否可行，而這個過程在傳統(tǒng)上，需要實際的物理裝置裝配好以后才能進(jìn)行。

2.虛擬調(diào)試

顯然，虛擬調(diào)試是Digital Twin最為好的應(yīng)用，對于工程師而言，在物理的產(chǎn)線未組裝完成，甚至尚未采購前就開始開發(fā)程序，邏輯、運動關(guān)系，然后在系統(tǒng)里進(jìn)行虛擬的參數(shù)調(diào)校，等系統(tǒng)組裝完成，直接下載程序，即可實現(xiàn)快速的上電調(diào)試，而這個時候系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化、匹配已經(jīng)在前期虛擬調(diào)試階段完成了。

3.工藝換裝時的驗證

第二種情況是對已有的產(chǎn)線進(jìn)行換裝，但是，我必須要驗證新的生產(chǎn)狀態(tài)下，例如：新增的滑塊、減掉滑塊，系統(tǒng)是否可行？

尤其對于SuperTrak和ACOPOStrak這樣的柔性傳送系統(tǒng)，他們的底層都自帶托盤防碰撞機(jī)制，這樣即使程序出現(xiàn)錯誤，也不會導(dǎo)致托盤（或他們承載的產(chǎn)品）之間發(fā)生碰撞。這種機(jī)制對于產(chǎn)線安全極為重要。但是在正常運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)流程中，應(yīng)該盡量避免防碰撞機(jī)制的觸發(fā)，以免托盤不必要的反復(fù)加減速，導(dǎo)致增加系統(tǒng)散熱和功率上的負(fù)擔(dān)，甚至生產(chǎn)節(jié)拍的降低。Digital Twin可以完美地完成這個任務(wù)，它不僅可以仿真程序的內(nèi)容，也可以完全一致地體現(xiàn)傳送系統(tǒng)的防碰撞機(jī)制，這樣在換裝之前，我們就可以在仿真中完成防碰撞機(jī)制的規(guī)避。

數(shù)字孿生-在產(chǎn)線投資之前確保它是可行的

對于投資高昂產(chǎn)線的企業(yè)主而言，驗證其是否可行非常必要，因此，SuperTrak和ACOPOStrak這種可以借助于Digital Twin實現(xiàn)預(yù)先的驗證和規(guī)劃，對于產(chǎn)線設(shè)計而言，非常關(guān)鍵：

（1）知道可以達(dá)到的水平，和為此而需要的最佳機(jī)電匹配；

（2）在機(jī)械安裝完成前軟件同步開發(fā)測試；

（3）工藝換裝也可以提前規(guī)劃；

圖4反映了與德勤所提供的相似的數(shù)字孿生實現(xiàn)架構(gòu)，通過工業(yè)現(xiàn)場的實時通信POWERLINK，以及集成開發(fā)平臺Automation Studio、物理的對象SuperTrak/ACOPOStrak和ABB機(jī)器人，建模仿真軟件、OPC UA實現(xiàn)的互聯(lián)來構(gòu)成整個產(chǎn)線的數(shù)字孿生架構(gòu)。

圖4-基于Digital Twin思想的產(chǎn)線設(shè)計

它是如何實現(xiàn)的？

基于貝加萊集成開發(fā)平臺Automation Studio開放的數(shù)字化連接能力，ACOPOStrak/SuperTrak所構(gòu)成的數(shù)字孿生機(jī)電設(shè)計架構(gòu)如圖5所示：

圖5-貝加萊實現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)計Digital Twin的架構(gòu)

1. 機(jī)電CAD設(shè)計軟件提供了產(chǎn)線的物理尺寸與規(guī)格，包括了物理的輸送段的幾何尺寸、滑塊的對應(yīng)參數(shù)（尺寸,重量,中心坐標(biāo)等）。

2. Automation Studio的控制：對于物理的滑塊運動而言，其由x,y,z及旋轉(zhuǎn)Φx,Φy,Φz構(gòu)成，而機(jī)械的參數(shù)與這些控制模型結(jié)合，形成了對整個物理的控制對象的融合。

在Automation Studio中，SuperTrak/ACOPOStrak和機(jī)器人被協(xié)同在同一軟件架構(gòu)下實現(xiàn)協(xié)同，并下載到物理的控制器（一臺工業(yè)PC）控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如伺服驅(qū)動器（用于控制機(jī)器人和周邊設(shè)備），以及Trak的滑塊。

3. Scene Viewer與CAD交互形成產(chǎn)線的幾何圖形顯示，而Automation Studio則將實際運行的物理對象參數(shù)返回給Scene Viewer形成動態(tài)的圖形顯示。

4. 當(dāng)產(chǎn)線的機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化時，由CAD系統(tǒng)提供新的參數(shù)給Automation Studio，Automation Studio將執(zhí)行新的程序來調(diào)整SuperTrak/ACOPOStrak的滑塊動作。

基于SuperTrak/ACOPOStrak的數(shù)字孿生設(shè)計，可以為產(chǎn)線提供全新的方法，并確保投資安全性，提高投資回報。

貝加萊將于2019年1月10日在上海漕河涇萬麗酒店3樓舉辦“ACOPOStrak創(chuàng)新日”，歡迎您的關(guān)注！

參考文獻(xiàn)：

[1]https://blogs.gartner.com/smarterwithgartner/files/2016/10/TopTenStrTechTrends2017_Infographic_Final.png

[2]Michael Grieves,Digital Twin: ManufacturingExcellence through VirtualFactory Replication,LLC,2014

[3]https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/cip/deloitte-cn-cip-industry-4-0-digital-twin-technology-en-171215.pdf

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一個總部位于奧地利并擁有遍布全球分支機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新驅(qū)動型自動化企業(yè)，2017年7月，貝加萊成為ABB集團(tuán)全球機(jī)器與工廠自動化業(yè)務(wù)單元。作為全球工業(yè)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，貝加萊融合了前沿技術(shù)與先進(jìn)的工程能力，為各個產(chǎn)業(yè)客戶提供機(jī)器與工廠自動化、運動控制、HMI以及集成安全技術(shù)的完整解決方案。通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及貝加萊強(qiáng)大的Automation Studio軟件開發(fā)環(huán)境，貝加萊不斷重新定義自動化工程的未來。貝加萊保持持續(xù)的創(chuàng)新精神，為客戶提供更為簡化以及超出預(yù)期的工業(yè)自動化領(lǐng)域前沿技術(shù)與方案。